本發(fā)明屬于高性能太赫茲輻射源領(lǐng)域，具體涉及產(chǎn)生高功率太赫茲輻射時(shí)所用的擴(kuò)展互作用速調(diào)管及其制作方法。

背景技術(shù)：

太赫茲(thz)波是指頻率從0.3thz到3thz(1thz＝10¹²hz)，介于毫米波與紅外光之間的電磁波，這是最后一個(gè)人類尚未完全認(rèn)知和利用的頻段。太赫茲波位于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)域，由于所處的特殊位置，造成其輻射具有滲透性強(qiáng)、分辨率高、非電離傳播、譜特征豐富等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。太赫茲波的這些特征，使其在信息通信、醫(yī)療診斷、生物技術(shù)、材料科學(xué)、天文學(xué)、軍事等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛能，引起了世界各國的高度重視。

在太赫茲技術(shù)中，太赫茲輻射源是太赫茲應(yīng)用的基礎(chǔ)，但是由于目前現(xiàn)有的大部分太赫茲源在室溫環(huán)境下工作不穩(wěn)定以及輸出功率不高等因素，太赫茲技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展受到了極大的制約，因此研制出性能穩(wěn)定、具有較高輸出性能的太赫茲輻射源是太赫茲技術(shù)發(fā)展的根本。

目前，利用真空電子學(xué)的方法是室溫下產(chǎn)生高功率太赫茲輻射的最常用手段。而在真空電子器件中，擴(kuò)展互作用速調(diào)管(extendedinteractionklystron,eik)是一種重要的放大器件，它結(jié)合了傳統(tǒng)行波管和傳統(tǒng)速調(diào)管這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，以諧振腔為基礎(chǔ)，在諧振腔內(nèi)電子束能夠與結(jié)構(gòu)波產(chǎn)生有效的相互作用；同時(shí)電子束的調(diào)制能夠在腔鏈上進(jìn)行，使得器件能夠獲得較寬的工作頻帶和較高的互作用效率。目前eik器件已經(jīng)成為一類重要的大功率毫米波器件，而且正在向更高頻率及更高輸出功率的方向發(fā)展。

如文獻(xiàn)“shuangli,jianguowang,guangqiangwang,etal.optimizationofthemulti-slotcavityanddriftina0.34thzextendedinteractionklystron[j].physicsofplasmas23,123120(2016)”采用eik器件，能夠在347.7ghz產(chǎn)生143w的輸出功率，達(dá)到38.1db的增益結(jié)果，如圖1所示。

當(dāng)工作頻率到達(dá)太赫茲頻段，由于共渡效應(yīng)，擴(kuò)展互作用器件的結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)下降到亞毫米量級，此時(shí)高頻結(jié)構(gòu)中的諧振腔具有非常高的q值，腔內(nèi)過高的功率密度極其容易產(chǎn)生電打火現(xiàn)象。而且由于多個(gè)諧振腔連續(xù)地振蕩在同一個(gè)頻率上，會造成整個(gè)器件的工作頻帶非常窄，限制了器件的實(shí)際應(yīng)用。如上述文獻(xiàn)中所設(shè)計(jì)的eik，所有諧振間隙的結(jié)構(gòu)值均相同。雖然該結(jié)構(gòu)能夠獲得較高的增益，但是其工作帶寬只有約200mhz，使其應(yīng)用范圍嚴(yán)重受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的擴(kuò)展互作用速調(diào)管工作頻帶非常窄、腔內(nèi)功率密度高的問題，本發(fā)明提出了一種具有非均勻諧振腔結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展互作用速調(diào)管及其制作方法，該擴(kuò)展互作用速調(diào)管的工作頻帶寬，腔內(nèi)功率密度較低，輸出性能高。

本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種擴(kuò)展互作用速調(diào)管，包括輸入諧振腔、輸出諧振腔與n個(gè)中間諧振腔，輸入諧振腔與輸入波導(dǎo)連通，輸出諧振腔與輸出波導(dǎo)連通，輸入諧振腔、輸出諧振腔與n個(gè)中間諧振腔的中心處設(shè)置有互相連通的電子束通道，其特殊之處在于：上述n個(gè)中間諧振腔的諧振間隙的周期長度不同或部分不同，上述n為大于1的正整數(shù)。

優(yōu)選地，上述n≥3，相鄰兩個(gè)中間諧振腔的諧振間隙的周期長度不同，相間兩個(gè)中間諧振腔的諧振間隙的周期長度相同。

優(yōu)選地，與輸入諧振腔及輸出諧振腔相鄰的中間諧振腔的諧振間隙的周期長度大于其余中間諧振腔的諧振間隙的周期長度。

優(yōu)選地，上述輸入諧振腔、輸出諧振腔與n個(gè)中間諧振腔的橫截面均為面積相等的啞鈴型結(jié)構(gòu)。

當(dāng)為0.34thz的擴(kuò)展互作用速調(diào)管時(shí)，上述n等于3，中間諧振腔從左至右依次包括中間諧振腔b、中間諧振腔c及中間諧振腔d，中間諧振腔c的諧振間隙的周期長度確保中間諧振腔c的諧振頻率與該擴(kuò)展互作用速調(diào)管工作的中心頻率一致；中間諧振腔b與中間諧振腔d的諧振間隙的周期長度大于中間諧振腔c的諧振間隙的周期長度，且中間諧振腔b與中間諧振腔d諧振頻率小于等于該擴(kuò)展互作用速調(diào)管工作帶寬。

優(yōu)選地，上述輸入諧振腔的諧振間隙周期長度為0.2mm，其中真空部分的長度為0.1mm；所述中間諧振腔b與中間諧振腔d的諧振間隙周期長度均為0.21mm，其中真空部分的長度均為0.1mm；所述中間諧振腔c的諧振間隙周期長度為0.2mm，其中真空部分的長度為0.1mm；所述輸出諧振腔的諧振間隙周期長度為0.2mm，其中真空部分的長度為0.1mm；輸出諧振腔的諧振間隙為多個(gè)。

優(yōu)選地，上述輸入諧振腔的諧振間隙為4個(gè)，中間諧振腔b、中間諧振腔c及中間諧振腔d的諧振間隙均為6個(gè)，輸出諧振腔的諧振間隙為12個(gè)。

優(yōu)選地，輸入諧振腔、中間諧振腔及輸出諧振腔的諧振間隙的總高度均為1.5mm，重入部分的高度均為0.6mm。

優(yōu)選地，輸入諧振腔、中間諧振腔及輸出諧振腔的上部諧振腔的寬度為0.7mm，中間重入部分的諧振腔寬度為0.4mm；電子束通道直徑為0.24mm；連接相鄰兩個(gè)諧振腔的漂移段長度為0.6mm。

本發(fā)明還提供一種上述的一種擴(kuò)展互作用速調(diào)管的制作方法，

包括以下步驟：

1)根據(jù)擴(kuò)展互作用速調(diào)管工作的諧振頻率確定輸入諧振腔、中間諧振腔及輸出諧振腔的諧振間隙周期長度；

具體包括：

首先，建立束波互作用的同步關(guān)系ve≈vp，其中ve是電子的直流速度，vp是電磁波的相速度。

然后根據(jù)可以計(jì)算出電子的直流速度ve。其中e是電子的電荷，m是電子的質(zhì)量，u是電子束的加速電壓。

接下來根據(jù)可以得到：這樣就可以得到在不同諧振頻率f下，對應(yīng)的間隙周期長度值l。

2)分析起振電流，確定輸出諧振腔的諧振間隙數(shù)目；

起振電流為：

根據(jù)諧振腔內(nèi)的能量守恒定律pl＝p0+pext+pbeam(pl代表了整個(gè)腔體內(nèi)損失的功率水平；p0代表諧振腔壁上的歐姆損耗,pext代表諧振腔向外部電路耦合出去的功率,pbeam代表電子束和電磁場之間交換的功率水平)，經(jīng)過推算，可以得到下面的關(guān)于電流的公式：

其中u0是電子束的直流電壓，r/q0是諧振腔的特征阻抗，qload是輸出腔的外q值，ge是電子束電導(dǎo)。這些值都是設(shè)計(jì)過程中需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。

該公式代表了諧振模式能夠穩(wěn)定存在于諧振腔內(nèi)所需的最小電流值。在諧振腔內(nèi)，諧振腔的本征模式能夠被正常激勵(lì)起來，所需要的最低電流值就是它的起振電流。

3)通過步驟1)與步驟2)得到的參數(shù)制作擴(kuò)展互作用速調(diào)管。

本發(fā)明的工作原理為：

熱陰極電子槍產(chǎn)生的直流電子束通過電子束通道進(jìn)入輸入諧振腔，同時(shí)種子信號通過輸入波導(dǎo)進(jìn)入輸入諧振腔，在輸入諧振腔內(nèi)對電子束進(jìn)行初步調(diào)制，形成一定的速度群聚。然后電子束經(jīng)過中間諧振腔，被連續(xù)地調(diào)制，并且在諧振腔之間的漂移段逐漸地將速度調(diào)制轉(zhuǎn)化成為密度調(diào)制，形成了群聚束團(tuán)。最終群聚束團(tuán)與輸出諧振腔內(nèi)的間隙電場發(fā)生更加強(qiáng)烈的束-波互作用，將能量轉(zhuǎn)交給電磁波，最終通過輸出波導(dǎo)將產(chǎn)生的輸出信號輻射出去。

與現(xiàn)有的0.34thz的均勻eik結(jié)構(gòu)不同的是，本發(fā)明0.34thz的非均勻eik的三個(gè)中間諧振腔(腔b、腔c和腔d)，諧振間隙的周期長度(bl1、cl1和dl1)取值不同，使這三個(gè)諧振腔的諧振頻率不同，因而會對電子束產(chǎn)生不同相位的調(diào)制效果。其中第二個(gè)中間諧振腔(腔c)的諧振頻率與eik工作的中心頻率保持一致。而第一個(gè)中間諧振腔(腔b)和第三個(gè)中間諧振腔(腔d)的周期長度被適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)大，使其諧振頻率得到提高，因此這兩個(gè)諧振腔對電子束能夠表現(xiàn)出感性電路特征，其內(nèi)部的間隙電壓相位落后電流相位90度。此時(shí)間隙電壓能使整個(gè)電子束的群聚效應(yīng)增強(qiáng)，同時(shí)還能令電子束獲得更寬頻帶的調(diào)制。經(jīng)過三個(gè)中間諧振腔的寬帶調(diào)制之后，電子束到達(dá)輸出諧振腔。同時(shí)，將輸出諧振腔內(nèi)的間隙數(shù)目優(yōu)化為12個(gè)，可以有效提高輸出諧振腔的特征阻抗，并且能夠保證器件的穩(wěn)定工作。最終使群聚束團(tuán)與間隙電場發(fā)生更加強(qiáng)烈的束-波互作用，將能量轉(zhuǎn)交給電磁波，最終通過輸出波導(dǎo)將產(chǎn)生的輸出信號輻射出去。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明采用非均勻諧振腔結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)各個(gè)中間諧振腔的尺寸，使之具有調(diào)諧性的諧振頻率，避免所有腔體在一個(gè)頻點(diǎn)上強(qiáng)烈振蕩。這樣電子束在通過中間諧振腔的時(shí)候，被不同的諧振頻率進(jìn)行調(diào)諧，有效地提高整個(gè)器件的工作帶寬；

2、本發(fā)明在輸出諧振腔內(nèi)引入更多的間隙數(shù)目，在保證工作穩(wěn)定性的同時(shí)降低擊穿風(fēng)險(xiǎn)，提高束波能量交換效率，獲得更高的輸出性能；

3、本發(fā)明通過調(diào)諧0.34thz的擴(kuò)展互作用速調(diào)管的三個(gè)中間諧振腔的諧振頻率，-3db瞬時(shí)帶寬可以達(dá)到0.4ghz，增益大于20db的帶寬可以達(dá)到1ghz。

4、在0.34thz擴(kuò)展互作用速調(diào)管結(jié)構(gòu)中，提高第三個(gè)中間諧振腔的諧振頻率，使電子束在達(dá)到輸出諧振腔時(shí)獲得更高的調(diào)制效率，同時(shí)在輸出諧振腔內(nèi)采用較多的間隙數(shù)目，增強(qiáng)了束-波互作用強(qiáng)度，使得器件的輸出增益有所提高，中心頻率處的增益可以達(dá)到34.8db；

5、擴(kuò)展互作用速調(diào)管能夠穩(wěn)定工作。在提高輸出諧振腔間隙數(shù)目的過程中，通過對輸出諧振腔內(nèi)起振電流的分析，合理選擇間隙數(shù)目。既有效地提高了束-波互作用強(qiáng)度，又避免自激振蕩的發(fā)生，保證器件能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

附圖說明

圖1為已有eik的輸出增益與帶寬結(jié)果折線圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例eik整體模型示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例eik所有諧振腔橫截面示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例eik輸入諧振腔縱向截面示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例eik中間諧振腔(腔b)縱向截面示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例eik中間諧振腔(腔c)縱向截面示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例eik中間諧振腔(腔d)縱向截面示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例eik輸出諧振腔縱向截面示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例eik諧振間隙的周期長度與諧振頻率的關(guān)系折線圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例eik輸出諧振腔間隙數(shù)目與諧振特征的關(guān)系折線圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例eik間隙數(shù)目與起振電流的關(guān)系折線圖；

圖12為本發(fā)明實(shí)施例eik的輸出性能與現(xiàn)有的eik輸出性能比較的折線圖。

圖中附圖標(biāo)記為：1-輸入諧振腔，2-中間諧振腔，21-中間諧振腔b，22-中間諧振腔c，23-中間諧振腔d，3-輸出諧振腔，4-電子束通道，5-輸入波導(dǎo)，6-輸出波導(dǎo)，7-漂移段，8-諧振間隙，9-諧振間隙真空部分，10-重入部分。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

本實(shí)施例以0.34thz的擴(kuò)展互作用速調(diào)管為例，從圖2可以看出，本實(shí)施例的擴(kuò)展互作用速調(diào)管包括5個(gè)諧振腔，分別為輸入諧振腔1、三個(gè)中間諧振腔2及輸出諧振腔3，所有諧振腔的橫截面均為面積相等的啞鈴型結(jié)構(gòu)(圖3)，縱截面尺寸在圖4至圖8中給出。連接相鄰兩個(gè)諧振腔的漂移段7的長度為0.6mm，電子束的工作電壓為16kv，工作電流為0.4a，引導(dǎo)磁場采用均勻磁場，強(qiáng)度為0.8t。

從圖3可以看出，所有諧振腔的寬度w1為0.7mm，中間重入部分10的寬度w2為0.4mm。電子束通道4的直徑d1為0.24mm，電子束通道穿過諧振腔的中心位置，使電子束與間隙電場發(fā)生相互作用。

從圖4可以看出，輸入諧振腔1共有4個(gè)諧振間隙8，諧振間隙8的周期長度al1為0.2mm，諧振間隙的真空部分9長度al2為0.1mm。諧振腔的總高度ah1為1.5mm，重入部分10的高度ah2為0.6mm。

從圖5可以看出，中間諧振腔b21腔內(nèi)共有6個(gè)諧振間隙8，諧振間隙8的周期長度bl1為0.21mm，諧振間隙的真空部分9長度bl2為0.1mm。諧振腔的總高度bh1為1.5mm，重入部分10的高度bh2為0.6mm。

從圖6可以看出，中間諧振腔c22腔內(nèi)共有6個(gè)諧振間隙8，諧振間隙8的周期長度cl1為0.2mm，諧振間隙的真空部分9長度cl2為0.1mm。諧振腔的總高度ch1為1.5mm，重入部分10的高度ch2為0.6mm。

從圖7可以看出，中間諧振腔d23共有6個(gè)諧振間隙8，諧振間隙8的周期長度dl1為0.21mm，諧振間隙的真空部分9長度dl2為0.1mm。諧振腔的總高度dh1為1.5mm，重入部分10的高度dh2為0.6mm。

從圖8可以看出，輸出諧振腔3腔內(nèi)共有12個(gè)諧振間隙8，諧振間隙8的周期長度el1為0.21mm，諧振間隙的真空部分9長度el2為0.1mm。諧振腔的總高度eh1為1.5mm，重入部分10的高度eh2為0.6mm。

圖5、圖7中的中間諧振腔的諧振間隙的周期長度bl1和dl1取值定為0.21mm，以提高這兩個(gè)腔的諧振頻率，能夠?qū)﹄娮邮M(jìn)行更寬范圍地調(diào)諧。

其基本工作過程是：前端的電子槍產(chǎn)生0.4a的直流電子束，直流電壓為16kv。單頻的種子信號，通過輸入波導(dǎo)注入輸入諧振腔，在輸入諧振腔內(nèi)形成tm11分布的電磁模式。輸入信號的平均功率約為23mw，在輸入諧振腔間隙處的縱向電場會對電子束進(jìn)行一定頻率的預(yù)調(diào)制。然后電子束在0.8t的均勻磁場的引導(dǎo)下，通過電子束通道進(jìn)入后續(xù)的中間諧振腔，被三個(gè)不同的中間諧振腔頻率連續(xù)調(diào)制，獲得較寬的調(diào)制特征，最終形成群聚束團(tuán)到達(dá)輸出諧振腔。在12個(gè)間隙的輸出諧振腔內(nèi)，電子束與結(jié)構(gòu)波發(fā)生強(qiáng)相互作用，將能量傳遞給電磁波，使電磁波在較寬的頻帶上得到有效地放大，并沿著輸出波導(dǎo)向外輻射。

由于間隙結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)眾多，eik器件的諧振特性對間隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)非常敏感，所以合理地選擇間隙結(jié)構(gòu)的尺寸調(diào)諧參數(shù)的范圍，對諧振腔的諧振頻率選擇非常重要。

從圖9可以看出，諧振間隙的周期長度對諧振腔特性的影響，擴(kuò)展互作用速調(diào)管工作時(shí)，中心頻率所對應(yīng)的諧振間隙周期長度為0.20mm，為了能夠調(diào)高中間諧振腔的諧振頻率且不超出擴(kuò)展互作用速調(diào)管的工作帶寬，選定諧振間隙的周期長度的調(diào)諧值為0.21mm，這樣就能將電子束的動態(tài)調(diào)諧范圍有效地?cái)U(kuò)大。

同時(shí)，諧振腔內(nèi)的間隙數(shù)目對諧振特征影響非常大，過多的間隙數(shù)目會造成諧振腔內(nèi)自激振蕩的產(chǎn)生，干擾器件的正常工作，所以通過對起振電流的分析來優(yōu)化間隙數(shù)目是非常重要的，具體選擇結(jié)果見圖10和圖11所示。

輸出諧振腔間隙數(shù)目對諧振特性的影響從圖10可以看出，m²(r/q)反映諧振腔的帶寬特性，而ge反應(yīng)的是諧振腔內(nèi)電子束向外放出能量的能力。可以看到，在輸出諧振腔內(nèi)選擇12個(gè)間隙數(shù)目，可以獲得非常高的m²(r/q)結(jié)果，意味著輸出諧振腔具有較高的帶寬特性。而且當(dāng)間隙數(shù)目取12時(shí)，電子束在該結(jié)構(gòu)內(nèi)具有非常強(qiáng)的能量交換能力，所以在輸出諧振腔為12個(gè)間隙時(shí)，能夠保證具有較高的帶寬特征和增益結(jié)果。

輸出諧振腔間隙數(shù)目對諧振腔內(nèi)起振電流的影響可以從圖11看出，當(dāng)間隙數(shù)目為12時(shí)候，諧振腔內(nèi)自激振蕩的起振電流約為0.5a。而此時(shí)的工作電流為0.4a，低于起振電流值，所以輸出諧振腔內(nèi)不會發(fā)生自激振蕩。但是如果繼續(xù)增加間隙數(shù)目，會使起振電流繼續(xù)下降，那么就極易激發(fā)自激振蕩，造成諧振腔的不穩(wěn)定。

通過粒子模擬軟件得到本實(shí)施例eik器件的輸出性能，如圖12所示，與現(xiàn)有的采用均勻高頻結(jié)構(gòu)的eik器件的輸出性能進(jìn)行對比，現(xiàn)有的均勻結(jié)構(gòu)的eik器件在-3db(-3db對應(yīng)的就是y軸增益結(jié)果降低到一半)工作帶寬約為0.2ghz，而采用本發(fā)明eik器件，可以將-3db工作帶寬提高至0.4ghz，擴(kuò)大了一倍。同時(shí)，現(xiàn)有的均勻結(jié)構(gòu)的帶寬增益乘積約為7.7(ghz·db)，而采用本發(fā)明非均勻結(jié)構(gòu)之后的結(jié)果約為13.9(ghz·db)，證明該結(jié)構(gòu)能夠在保證輸出增益的基礎(chǔ)上，獲得更高的工作帶寬，保證器件能夠穩(wěn)定地工作，大大提高了eik器件在太赫茲頻段的應(yīng)用潛力。